Modelado y validación experimental de una monocelda y un stack de una pila de combustible tipo PEM
- Autores: José Antonio Salva Aguirre
- Directores de la Tesis: Manuel Felipe Rosa Iglesias (dir. tes.), Alfredo Iranzo (dir. tes.)
- Lectura: En la Universidad de Sevilla ( España ) en 2015
- Idioma: español
- Número de páginas: 272
- Tribunal Calificador de la Tesis: José Julio Guerra Macho (presid.), Francisco Javier Pino Lucena (secret.), Luis Valiño (voc.), Eduardo López González (voc.), Félix Manuel Barreras Toledo (voc.)
- Materias:
- Enlaces
- Tesis en acceso abierto en: Idus
- Resumen
La presente Tesis Doctoral tiene como objetivo fundamental desarrollar un modelo analítico validado experimentalmente para pilas de combustible tipo PEM. Este modelo puede utilizarse tanto para el diseño como para la optimización de monoceldas y de stacks formado por N celdas. En particular, se detallan los principales objetivos de la presente Tesis Doctoral:
- Desarrollo de un modelo analítico unidimensional para pilas de combustible tipo PEM adaptable a monoceldas y stack. El modelo predice las principales variables que intervienen en el funcionamiento de la pila de combustible tipo PEM como son la distribución de temperatura, el perfil de concentraciones de cada componente (H2, O2, H2O), distribución de presión y velocidad, curva característica (I-V) y las diferentes pérdidas que tiene la pila de combustible (activación óhmicas y concentración).
- Validación experimental del modelo analítico desarrollado con más de una variable experimental para asegurar la validez y calidad de los resultados.
- Utilización del modelo analítico para maximizar la potencia de la pila de combustible así como garantizar un diseño de bajo coste y peso.
- Establecer una línea de investigación en modelado de pilas de combustible.
La principal novedad de la presente Tesis Doctoral con respecto a la situación actual es la obtención de un modelo de pilas de combustible tipo PEM validado experimentalmente con más de una variable experimental de forma simultánea, y que resuelve los diferentes fenómenos físicos que intervienen en el funcionamiento de la pila de combustible con precisión y muy bajo coste computacional. Actualmente, los modelos de pilas de combustible que se encuentran en la literatura se validan en la mayoría de los casos con una sola variable experimental aunque existen casos aislados de modelos que utilizan dos variables experimentales para validar los resultados. El parámetro principal que se utiliza para validar los resultados de los modelos de pilas de combustible es la curva característica de operación, comúnmente conocida como curva de polarización. Aunque bien es cierto que la curva de polarización es el indicador más completo para cuantificar las prestaciones de la pila de combustible tipo PEM, para lograr un diseño óptimo y hacer competitiva la tecnología de pilas de combustible frente al resto de sistemas de potencia es necesario el desarrollo de modelos de pilas de combustible que garanticen resultados fiables y precisos no solo a nivel de prestaciones (tensión, potencia) sino también para las diferentes variables que intervienen en el funcionamiento de la pila de combustible (perfil de temperatura, gestión del agua, etc). Para lograr este tipo de resultados, además de la curva de polarización, es necesario validar experimentalmente los diferentes fenómenos que ocurren en el funcionamiento de la misma. En este aspecto, en la presente tesis doctoral se ha validado experimentalmente la curva de polarización, el perfil de temperatura y la cantidad de agua acumulada en la capa difusora de gases (GDL) y en la membrana (MEA). Para la validación experimental se ha contado con la ayuda de dos centros de investigación. En las instalaciones del el INTA (Instituto Nacional de Técnica Aeroespacial) se llevó a cabo la parte experimental tanto a nivel de monocelda como de Stack. Por otro lado, se han utilizados datos existentes del PSI (Paul Scherrer Institute) en Suiza para caracterizar las prestaciones de la monocelda así como la cantidad de agua acumulada en GDL + MEA utilizando la tecnología de radiografía de neutrones.
Otro resultado novedoso de la presente Tesis Doctoral es la utilización del modelo analítico desarrollado con el objetivo de maximizar las prestaciones de la pila de combustible. En este aspecto, se ha desarrollado una curva de polarización de máximas prestaciones en el que las condiciones de operación no son fijas y varían de un punto de intensidad de corriente a otro con el fin de conseguir la mayor potencia posible para cada punto de operación. De esta forma, se optimiza el diseño del stack garantizando el mínimo número de celdas, reduciendo el coste, peso y volumen de la pila de combustible. Además, debido al bajo coste computacional, el modelo analítico permite elaborar el mapa completo de operación de la pila de combustible. De esta forma, es posible estimar las prestaciones de la misma para todas las combinaciones posibles de condiciones de operación para cada valor de intensidad de corriente.
